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铝合金车体结构设计和有限元分析

发布于:2019-07-22 18:14
有限元分析

      铝合金材料以其重量轻、耐腐蚀性好和易于采用挤压方法成型等优点成为铁路机车车辆制造业中的理想材料。为确保机车车辆在工作状态下安全可靠,铝合金车体结构同样要求具有足够的强度和刚度,并满足相关技术标准。目前机车车辆车体结构的强度计算分析主要采用有限元分析。在施工设计后进行有限元计算可以检验设计的合理性和结构是否达到设计要求,并对车体结构改进提供科学依据。该文结合国内某地铁铝合金车体的结构特点,建立了车体结构的有限元模型,对其强度进行了计算分析。
      该地铁铝合金车辆属于B型车,包括动车和拖车,其车体主要承载件几乎全部由铝合金YL104构件焊接而成。铝合金头车的侧墙采用大型开口弯曲型材对焊的结构,侧墙门窗较多并且开口较大。门与窗、窗与窗之间及门口周围采用大型开口弯曲型材。门口及窗口采用补强措施。采用此种形式可以避免板、梁焊接结构引起的墙板变形。车顶为自承载结构,采用有足够刚度的密封中空挤压型材插接而成。型材内侧表面设内顶、风道等安装用的C形槽。边梁采用大型挤压型材,中间部分采用开口铝合金宽幅挤压型材,上边梁车顶与侧墙共用。车顶局部结构如图所示。侧墙采用中空挤压型材插接而成,纵向对接接头采用MIG自动焊接,组装之后切除窗孔。图为铝合金车体侧墙局部结构。底架由2根空腹多室断面的侧梁、若干宽幅空心薄壁析架式断面的长大闭口型材及牵引梁、枕梁、缓冲梁、端梁等组成。边梁、地板型材上部C形夹沟用来固定地板,并通过焊接管通风,以免形成冷凝水。边梁、地板型材下面的沟槽沿底架纵向布置,与型材一起挤压成型。该结构是为吊装车下设备而设置的。底架局部结构如图所示。
      地铁全焊接铝合金头车的车体结构有3种类型的材料:    ①牵引梁、枕梁、缓冲梁部件由7005-T6材料制成;②车窗框由YL104材料制成;③其余部分部件由6005A-T6材料制成。所用材料的机械特性见表,在分析了铝合金车体的结构特点和材料的力学性能的基础上,采用有限元AppANSYS建立车体的有限元模型。由于铝合金车的零部件基本是薄壁构件,所以车体结构全部采用壳单元shell63模拟;底架设备和空调、门窗以质量单元mass的形式施加在各自的位置上;二系悬挂采用弹簧单元combin 14进行模拟内装、管线等垂直荷载以均布荷载施加在地板上。在铝合金车体结构设计中,车体主要承载部件(如底架、侧墙、车顶、端墙等)一般采用大型中空截面挤压型材,整车结构由这些型材焊接、铆钉或螺栓连接而成。因此铆钉或螺栓连接的模拟对仿真计算的准确性有重要影响。对于铆钉或螺栓连接,本文以相关节点的耦合和约束方程进行模拟。
      利用耦合和约束方程来进行模拟是有限元中建立节点自由度之间特殊关系的一项重要技术。利用这项技术能实现单元做不到的自由度连接。耦合技术迫使2个或多个自由度取得相同但未知的值。耦合自由度集包含1个主自由度和1个或多个其他自由度。铝合金车体的有限元模型如图所示。    考虑到车体结构的对称性和节省计算时间,计算模型采用半个车体模型,取底架承载较重一边。计算模型包括171712个节点,171169个单元。其中壳单元197405个,质量单元456个,弹簧单元2142个。耦合和约束方程数为91773个。铝合金车体计算工况的确定此次计算分析参照国外相关地铁车的计算报告和2003年7月开始实施的GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》,并参照DIN EN485-2:2004《铝和铝合金一薄板、带材和板材》、BS EN12663:2000《铁道应用一轨道车身的结构要求》和BS8118: 1991《铝结构应用第一部分:设计实施惯例》等标准,还参考了设计人员的意见,确定了铝合金车体结构在正常和超常工作荷载负荷下的分析工况。


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